книги / Расходомеры и счетчики газа, узлы учета
..pdf
УДК 681.121.4; 681.121.8 ББК 31.32-5
Ш78
Шорников Б. А.
Ш78 Расходомеры и счетчики газа, узлы учета; Справочник.— СПб.: Политехника, 2003.— 127 с.: ил.
ISBN 5-7325-0719-1
В справочнике рассмотрены расходомеры переменного перепада дав ления (измерительные комплексы с сужающими устройствами и с на порными осредняющими трубками), тахометрические (турбинные, рота ционные и камерные), а также некоторые новые (ультразвуковые, вих ревые и др.) для газов.
Даны рекомендации по выбору расходомеров и современных вычис лителей (корректоров) объема газа и устройству узлов учета в соответ ствии с действующими стандартами в промышленном и коммунально бытовом хозяйствах.
Предназначена для специалистов газопотребляющих предприятий, проектных, строительно-монтажных и других предприятий, занятых изготовлением и эксплуатацией средств учета газа во всех отраслях народного хозяйства.
УДК 681.121.4; 681.121.8 ББК 31.32-5
ISBN 5-7325-0719-1 © Издательство «Политехника», 2003
ПРЕДИСЛОВИЕ
Выбор типа расходомеров для газа, прежде всего, зависит от свойств измеряемого вещества, типа оборудования и системы тру бопроводов. Например, для различных по вязкости сред применя ют соответствующие типы турбинных расходомеров. Для многих расходомеров необходимы значительные прямые участки труб, что бы поле скоростей было равномерным, осесимметричным. Разное влияние на ряд типов расходомеров оказывают ламинарное либо турбулентное течение вещества, вибрации трубопроводов, динами ческие свойства. Кроме того, в ряде случаев необходимо знать ха рактер поля скоростей в трубе. Многие расходомеры имеют огра ничения пределов измерения скоростей протекающего по трубам вещества. Например, вихревые, ультразвуковые и другие расходо меры работают при скоростях не менее 0,1-0,05 м/с.
Стандартные сужающие устройства [1,2] используют в ограни ченном снизу диапазоне чисел Рейнольдса (Re), которые зависят от скорости и свойств газа и диаметра трубопровода. Но имеются специальные сужающие устройства для малых Re [7].
Впромышленности в основном применяют расходомеры с су жающими устройствами, в меньшей степени турбинные и камер ные, и только в последнее время стали применять вихревые и уль тразвуковые расходомеры. Реже применяют напорные трубки, кариолисовые расходомеры и др.
Внебольших котельных широко используются ротационные счетчики, а в квартирах — камерные мембранные (диафрагменные)
ис недавнего времени ультразвуковые, струйные и др.
Впредлагаемой книге рассмотрены основные расходомеры и счет чики производства России, а также Белоруссии, Украины и некото рые иностранные модели, применяемые в России.
ВВЕДЕНИЕ
Исходная терминология и единицы измерения. Расход — это количество вещества, протекающее черед данное сечение в единицу времени.
Прибор, измеряющий расход вещества, называют расходомером, а массу или объем вещества — счетчиком количества или просто счетчиком (ГОСТ 15528-86). Прибор, который одновременно из меряет расход и количество вещества, называют расходомером со счетчиком. К этим терминам следует добавлять название измеря емого вещества, например: расходомер газа, счетчик воды, расходо мер пара со счетчиком, расходомер-счетчик газа.
Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый рас ход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразую щее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.
Количество вещества измеряется или в единицах массы (кило граммах, тоннах, граммах) или в единицах объема (кубических мет рах и кубических сантиметрах). Соответственно расход измеряют в единицах массы, деленных на единицу времени (килограммах в секунду, килограммах в час и т. д.), или в единицах объема, также деленных на единицу времени (кубических метрах в секунду, куби ческих метрах в час и т. д.). В первом случае имеем массовый расход Qm, во втором — объемный Q0.
С помощью единиц объема можно правильно определять коли чество вещества (особенно газа), если известны его давление и тем пература. В связи с этим результаты измерения обемного расхода газа обычно приводят к стандартным (или, как их ранее называли, «нормальным») условиям, т. е. к температуре 293,15 К и давле нию 101 325 Па. При этом у буквы, обозначающей объем или объемный расход, надо ставить индекс «п» (приведенный) или ин декс «с» (стандартный). Применять же термин «нормальный ку бический метр» не следует [9].
Вычислитель — специализированный микроконтроллер, запро граммированный для выполнения расчетов расхода и количества вещества, энергосодержания и др. параметров.
Измерительный комплекс с сужающим устройством — сино ним расходомера переменного перепада давления с сужающим ус тройством.
Первичный измерительный преобразователь — совокупность уча стка до сужающего устройства длиной 100D, собственно сужающе го устройства и участка после сужающего устройства длиной 10D, на которых происходит преобразование «расход—перепад давле ния».
Расходомер переменного перепада давления с сужающим уст ройством — совокупность первичного преобразователя, средств из мерения перепада давления, абсолютного статического давления,
4
температуры, компонентного состава среды, средств ручного (пла ниметры) или автоматизированного (электронные планиметры или сканнеры) определения средних значений измеряемых параметров, автоматического (микроконтроллеры или персональные ЭВМ) вы числителя расхода и количества, дополнительных устройств в из мерительном трубопроводе (фильтры, местные сопротивления, конфузорные и диффузорные переходы, грязевики и др.) и в измери тельном канале средств измерения (импульсные трубопроводы, краны, конденсационные, уравнительные, разделительные, отстойные сосу ды, мембранные разделители и др.).
Измерительные системы являются разновидностью средств из мерений, и на них распространяются все общие требования к сред ствам измерений [26]. Измерительная система (ИС) — это сово купность измерительных, связующих, вычислительных компонен тов, образующих измерительных устройств (компонентов измери тельной системы), функционирующих как единое целое и предна значенных:
для получения информации о состоянии объекта; машинной обработки результатов измерений;
регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки;
преобразований данных.
ГЛАВА 1. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
1.1.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ РАСХОДОМЕРОВ
ССУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ
Метод переменного перепада давления является основой для измерения расхода газа с помощью измерительного комплекса (ИК) с сужающим устройством (СУ). Массовый (кг/ч) и объемный (м3/ч) расходы сухого газа на основании стандартов [1, 2] вычис ляют по уравнениям сохранения энергии и массы потока в виде (ГОСТ 8.563.2-97):
а) для определения массового расхода |
|
Ят = KelEC.KReKmKnK * 4 0t J ^ , |
( 1 . 1) |
а при косвенном определении плотности газа в рабочих условиях через плотность р при стандартных условиях р - 1,03323 кгс/см2= = 101 325 Па, Тс = 293,15 К
|
Яш = К л ЕС_КъеК шК пК%40г к р р с |
(1.2) |
или с учетом стандартных значений Т., р„ |
|
|
|
V х С |
|
|
Япг ~ К е2 ^ 1С~ХдеХ шХ пХ 0^20^-^АРРс » |
(1.3) |
б) |
для определения объемного расхода при стандартных усло |
|
виях: |
|
|
|
Яс ~ Х е1ЕС„ХКе-К‘шХпХоС?!о8л/Дрр / рс; |
(1.4) |
Яс - &е2ЕС-КлеКшКцК%&2оёл1АР |
(1.5) |
|
РсТК |
в) для определения объемного расхода |
|
Яо = К е1Е С . К П еК ш К а К ^ 4 0 г ^ 7 р ; |
(1.6) |
для числа Рейнольдса
Re = Ke3qm/(pD) = K e3q0p /(pD) = X e3gcPc /(p D ). (1.7)
А в табл. А1 даны 14 формул для дс, в табл. А2 — 13 уравне ний с условно постоянными коэффициентами, в табл. А 6 — значе ния масштабных коэффициентов К е.
6
В ГОСТ 8.563-97 даны вышеприведенные формулы и в общем виде
qm = CEeKmKn(nd2 /4),/2Дрр = aKmKnz{nd2 /4)л/2Дрр (кг/с);
( 1. 8)
q0 = CEzKmKu(nd2 /4)^/2Д р/р = aKmKnz(nd2 /4)^ДрТр (м 3/ с),
(1.9) где С — коэффициент истечения; Е — коэффициент скорости вхо
да, £ = 1/ д/l - р 4, Р = d/D; — поправочный коэффициент на
шероховатость трубопровода [2]; К п — поправочный коэффициент на притупление кромки диафрагмы [2]; К — коэффициент сжима емости газа; D — внутренний диаметр трубопровода, м; а — коэф фициент расхода сужающего устройства, а =СЕ; г — поправочный множитель на расширение измеряемой среды (коэффициент рас ширения), для жидкости е= 1; d — диаметр отверстия сужающего устройства, м; d2o — диаметр отверстия сужающего устройства при 20 °С; Др — перепад давления среды при течении через сужающее устройство, Па; р — плотность среды в рабочих условиях, кг/м3; рс — плотность среды при стандартных условиях, кг/м3; К0 — по правочный множитель на тепловое расширение материала сужающе го устройства, K0D2Q= d (диаметр при температуре t).
При использовании дифференциальных манометров, градуиро ванных в паскалях, и при значениях диаметров в миллиметрах формулы (1.8) и (1.9) имеют вид:
qm = 3,9986 10”3ае1Го^20>/Дрр (кг/с); |
(1.10) |
?с = 21,51 •10-3azKod2 0J&pp / р0ТК (м3/ч). |
U -11) |
Значения а и 8 при изменениях параметров потока не являются постоянными и это следует учитывать при точных измерениях расхода. Изменение а в диапазоне чисел Рейнольдса Re= 104 -*■108 при относительной площади диафрагмы р2 = тп= 0,2 происходит на 2 % , а при m = 0,5 — на 7 % (или 2 % в диапазоне Re = 105 + + 108). Изменения е могут принимать такие же большие значения.
Очевидно, что
Qm ~ 9оР “ 5сРс —283,73<7о ,j,j£ • |
(1.12) |
Расход сухой части влажного газа (м3/с) (ГОСТ 8.563-97):
Qc ~ |
(Рс.г / Pc)yJ^P/ Рв.г» |
(1.13) |
где рс — плотность сухой части влажного газа; рв г — плотность влажной части газа при ее парциальном давлении и температуре.
7
ГОСТ 8.563-97 приводит сокращенную формулу Штольца для определения коэффициента истечения С, однако в стандарте ИСО принято уравнение Ридера—Харриса/Галлахера (Изменение № 1, док. № 285 от 02.10.95), которое дает несколько отличный ре зультат. Приведенные в ГОСТе (а также в работе [9]) формулы и значения С и а предназначены для стандартных диафрагм, сопел ИСА1932, сопел и труб Вентури. Расчет С и а производят террито риальные органы Госстандарта.
Наряду с перечисленными стандартными СУ узаконено приме нение специальных СУ согласно методическим указаниям РД 50-411-83 [7], к которым относятся диафрагмы с коническим входом и стандартные для труб диаметром менее 50 мм износоус тойчивые и сегментные диафрагмы, цилиндрические сопла. Для них применимы правые части уравнений (1.8) и (1.9), а также уравнения, приведенные в работе [7]:
qc = aeV2(7td2 /4)^App /р с (м3/с); |
(1.14) |
|
qc =aeV2(ttd2 /4 )J &PP^ |
(м3/с). |
(1.15) |
V PcPcTK |
|
|
РД 50-411-83 устанавливают следующие граничные числа Re: для диафрагм с коническим входом от 40-20 000 при отношении диаметров Р = d/D = 0,1 до 260-50 000 при р = 0,5; для стандарт ных — от 22 000-107 при Р = 0,22 до 270 000-107 при Р = 0,83 (для износоустойчивых примерно так же); для сегментных — от 5000-106 при Р = 0,31 до 40 000-106 при Р = 0,7.
Для стандартных СУ, т. е. для сопел, сопел Вентури и труб Вентури, коэффициент е определяется путем решения уравнения неразрывности:
с _Г(1-Р4)[х/(х-1)]\у2/х (1 - Ч>)(* ~1)/х |
, |
(1.16) |
||
L |
(1 -P V /X )(Др/й) |
|||
|
|
|||
г д е ^ = р 2 / ^ |
= 1 " A P/Pv |
|
|
|
Эта формула применима при условии, если \|/ > 0,75. |
|
|
||
Относительная погрешность (% ) коэффициента расширения (ИСО 5167):
для сопел ИСА 1932
5е= ±2Д р/р1;
для труб Вентури и сопел Вентури
52 = ±(4 + 109P8)AP /P I -
8
Для стандартных диафрагм коэффициент е определен экспери ментально. Результаты опытов хорошо аппроксимируются форму лой (ГОСТ 8.563-97)
е = 1 - (0,41 + 0,35Р4)Др / (ргк). |
(1.17) |
Она пригодна для всех трех методов отбора давлений: углового, фланцевого и радиального (трехрадиального). Кроме того, она при годна и для износоустойчивых диафрагм. Расчетные значения в даны в табл. 1.1.
Относительная погрешность (%) в для диафрагм при р< 0,75
5е= ±4 Д р/рг
Для углового способа отбора при 0,75 < Р погрешность (%)
Т а б л и ц а |
1.1 |
|
|
|
|
|
|
Значение поправочного множителя |
е для стандартных диафрагм |
|
|||||
|
|
|
|
т |
|
|
|
ЛР/Р, |
0,15 |
0,20 |
0,30 |
0,40 |
0,50 |
0,55 |
|
|
|||||||
|
|
|
х = 1,3 |
|
|
|
|
0,010 |
0,9968 |
0,9967 |
0,9966 |
0,9964 |
0,9962 |
0,9960 |
|
0,020 |
0,9936 |
0,9935 |
0,9931 |
0,9928 |
0,9923 |
0,9921 |
|
0,040 |
0,9871 |
0,9870 |
0,9864 |
0,9857 |
0,9847 |
0,9841 |
|
0,060 |
0,9807 |
0,9804 |
0,9796 |
0,9785 |
0,9770 |
0,9762 |
|
0,080 |
0,9743 |
0,9739 |
0,9728 |
0,9713 |
0,9694 |
0,9683 |
|
0,100 |
0,9679 |
0,9674 |
0,9660 |
0,9642 |
0,9617 |
0,9603 |
|
0,120 |
0,9614 |
0,9609 |
0,9592 |
0,9570 |
0,9541 |
0,9524 |
|
0,140 |
0,9550 |
0,9543 |
0,9525 |
0,9498 |
0,9464 |
0,9444 |
|
0,160 |
0,9486 |
0,9478 |
0,9457 |
0,9426 |
0,9388 |
0,9365 |
|
0,180 |
0,9421 |
0,9413 |
0,9389 |
0,9355 |
0,9311 |
0,9286 |
|
0,200 |
0,9357 |
0,9348 |
0,9321 |
0,9283 |
0,9235 |
0,9206 |
|
0,220 |
0,9293 |
0,9282 |
0,9253 |
0,9211 |
0,9158 |
0,9127 |
|
|
|
|
х= 1,4 |
|
|
|
|
0,010 |
0,9970 |
0,9970 |
0,9968 |
0,9967 |
0,9964 |
0,9963 |
|
0,020 |
0,9940 |
0,9939 |
0,9937 |
0,9933 |
0,9929 |
0,9926 |
|
0,040 |
0,9881 |
0,9879 |
0,9874 |
0,9867 |
0,9858 |
0,9853 |
|
0,060 |
0,9821 |
0,9818 |
0,9811 |
0,9800 |
0,9787 |
0,9779 |
|
0,080 |
0,9761 |
0,9758 |
0,9748 |
0,9734 |
0,9716 |
0,9705 |
|
0,100 |
0,9702 |
0,9697 |
0,9685 |
0,9667 |
0,9645 |
0,9632 |
|
0,120 |
0,9642 |
0,9637 |
0,9622 |
0,9601 |
0,9574 |
0,9558 |
|
0,140 |
0,9582 |
0,9576 |
0,9559 |
0,9534 |
0,9503 |
0,9484 |
|
0,9410 |
|||||||
0,160 |
0,9522 |
0,9515 |
0,9495 |
0,9467 |
0,9431 |
||
0,9337 |
|||||||
0,180 |
0,9463 |
0.9455 |
0,9432 |
0,9401 |
0,9360 |
||
0,9263 |
|||||||
0,200 |
0,9403 |
0,9394 |
0,9369 |
0,9334 |
0,9289 |
||
0,9189 |
|||||||
0,220 |
0,9343 |
0,9334 |
0,9306 |
0,9268 |
0,9218 |
||
|
|||||||
9
Все приведенные погрешности 5е для стандартных сужающих устройств (ИСО 5167) даны без учета погрешностей величин |3, Ар / Pj и х, входящих в формулы для е. С учетом этих составляю щих общая предельная погрешность для е выразится формулой
5е = пкр / pi + [(1 - в) / е](5р + 5др + 53)0,5,
где для диафрагм п = 4 (при (3 < 0,75) и л = 8 (при Р > 0,75), для сопел п - 2 ; для сопел Вентури и труб Вентурир = (4 + 100 (З8) Ар/рг.
Следует заметить, что коэффициент в сравнительно мало зави сит от р (или т) и от показателя адиабаты х, если погрешность 5Х не превосходит 2 % , но значительно зависит от отношения Ар/р1. При Ap/Pi = 0 множитель е = 1; с увеличением отношения Ap/pj коэффициент е постепенно уменьшается, достигая при наиболь шем допустимом значении Ap/pj = 0,25 для диафрагм значений, лежащих около 0,9, а для сопел — около 0,8. В большинстве же случаев значение е (особенно для диафрагм) не опускается ниже 0,95-0,98. При одинаковых Ap/pv р и х у диафрагм е всегда боль ше, чем у сопел вследствие радиального расширения струи на уча стке между отверстием диафрагмы и наиболее суженной части струи.
Коэффициенты расхода специальных СУ в зависимости от т = = Р2 определяют по формулам [7]:
для цилиндрических сопел
а = 0,80017 - 0,01801т + 0,7022т2 - 0 ,322т3;
для диафрагм с коническим входом
а =0,73095 + 0,2726т - 0,7138т2 + 5,0623т3;
для сегментных диафрагм
а = 0,6085 - 0,03427т + 0,3237т2 + 0,00695т3;
для износоустойчивых диафрагм
а = (0,99626 + 3,2554/d - 124,627/d2) ас при d > 125 мм;
а = (1,0068 - l,03585/d)ac при 16 < d < 125 мм,
где ас = 0,595 + 0 ,4 т + 0 ,3 т 2 при т < 0,3 и ас = 0,61 - 0,055т + + 0,45т2 при 0,3 < т < 0,5.
У стандартных диафрагм с D < 50 мм а= (1,0068 + 0,08287/d) ас при d > 10 мм.
Поправочный множитель е определяют по формулам [7]:
для стандартных цилиндрических сопел, стандартных диафрагм с 2) < 50 мм — по ГОСТ 8.563-97;
для диафрагм с коническим входом ек = 0,25 + 0,75ас;
10